ES2814948T3

ES2814948T3 - Sintered-bonded ceramic articles

Info

Publication number: ES2814948T3
Application number: ES13763988T
Authority: ES
Inventors: Lawrence M Banach; John M Bevilacqua; Steven W Lanzone
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2021-03-29
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: CN104271534B; CN104271534A; EP2828221A4; EP2828221A1; EP2828221B1; PL2828221T3; JP2015515438A; JP6105039B2; US8998268B2; US20130285370A1; JP2017081816A; WO2013142828A1

Abstract

Un artículo de cerámica sinterizado, que comprende: un primer componente que incluye carburo de silicio, en el que el primer componente comprende un tubo; un segundo componente que incluye carburo de silicio, circunscribiendo el segundo componente al menos una parte del primer componente, en el que el segundo componente comprende una brida o una tapa; y una interfase entre el primer componente y el segundo componente, siendo la interfase una unión sinterizada que tiene una resistencia al cizallamiento no menor de 25 MPa y al menos una característica de rendimiento seleccionada del grupo que consiste en: i) un rendimiento del cierre al nitrógeno no mayor de un 10 %; ii) un rendimiento del cierre al helio no mayor de un 10 %; iii) un rendimiento del cierre al vacío no mayor de un 10 %, en el que la resistencia al cizallamiento, el rendimiento del cierre al nitrógeno, el rendimiento del cierre al helio y el rendimiento del cierre al vacío se determinan como se describe en la descripción; en el que el primer componente y el segundo componente comprenden carburo de silicio en una cantidad de al menos un 91 % en peso a no mayor que un 99,85 % en peso, en el que al menos un 95 % en peso del carburo de silicio es fase alfa.A sintered ceramic article, comprising: a first component including silicon carbide, wherein the first component comprises a tube; a second component including silicon carbide, the second component circumscribing at least a part of the first component, wherein the second component comprises a flange or a cap; and an interface between the first component and the second component, the interface being a sintered joint having a shear strength of not less than 25 MPa and at least one performance characteristic selected from the group consisting of: i) a sealing performance to nitrogen not greater than 10%; ii) an efficiency of the closure to helium not greater than 10%; iii) a vacuum seal performance not greater than 10%, wherein the shear strength, nitrogen seal performance, helium seal performance and vacuum seal performance are determined as described in description; wherein the first component and the second component comprise silicon carbide in an amount of at least 91% by weight to no greater than 99.85% by weight, wherein at least 95% by weight of the carbide silicon is alpha phase.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Artículos de cerámica aglutinados por sinterizaciónSintered-bonded ceramic articles

CAMPO DE LA DIVULGACIÓNDISCLOSURE FIELD

Lo siguiente se refiere a cuerpos cerámicos aglutinados por sinterización, en particular cuerpos o conjuntos cerámicos para uso en intercambiadores de calor, intercambiadores de calor y procedimientos para formar los mismos. Los documentos US5.941.302 A, US5.611.877 A, EP0 479 657 A1, DE44 10767 A1, US4.925.608 A y EP0 357 491 A2 describen la formación de una unión sinterizada entre componentes que pueden incluir carburo de silicio.The following refers to sintered-bonded ceramic bodies, in particular ceramic bodies or assemblies for use in heat exchangers, heat exchangers, and processes for forming the same. Documents US5,941,302 A, US5,611,877 A, EP0 479 657 A1, DE44 10767 A1, US4,925,608 A and EP0 357 491 A2 describe the formation of a sintered bond between components that may include silicon carbide.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Un artículo de cerámica sinterizado incluye un primer componente y un segundo componente que circunscribe al menos una parte del primer componente y unido por sinterización al primer componente. El primer componente incluye un tubo. El segundo componente incluye una brida o una tapa. El primer y segundo componentes incluyen carburo de silicio. El artículo de cerámica sinterizado incluye una interfase entre el primer componente y el segundo componente, siendo la interfase una unión sinterizada que tiene una resistencia al cizallamiento no menor de 25 MPa y al menos una de las siguientes características de rendimiento: un rendimiento de cierre al nitrógeno no mayor de un 10 %, un rendimiento del cierre al helio no mayor de un 10 % y/o un rendimiento del cierre al vacío no mayor de un 10 %. El primer componente y el segundo componente incluyen carburo de silicio en una cantidad de al menos un 91 % en peso a no mayor que un 99,85 % en peso, en el que al menos un 95 % en peso del carburo de silicio es fase alfa.A sintered ceramic article includes a first component and a second component that circumscribes at least a part of the first component and sintered bonded to the first component. The first component includes a tube. The second component includes a flange or a cap. The first and second components include silicon carbide. The sintered ceramic article includes an interface between the first component and the second component, the interface being a sintered joint having a shear strength of not less than 25 MPa and at least one of the following performance characteristics: nitrogen not greater than 10%, a helium seal performance not greater than 10% and / or a vacuum seal performance not greater than 10%. The first component and the second component include silicon carbide in an amount of at least 91% by weight to no greater than 99.85% by weight, wherein at least 95% by weight of the silicon carbide is phase. alpha.

Un procedimiento de fabricación de un artículo de cerámica sinterizado incluye formar un primer componente verde que incluye carburo de silicio, presinterizar el primer componente verde para formar un primer componente sinterizado, limpiar la superficie de al menos una parte de una superficie exterior del primer componente sinterizado para retirar los contaminantes de la superficie depositados durante la presinterización de los mismos, y disponer un segundo componente que incluye carburo de silicio para circunscribir el primer componente sinterizado a lo largo de la parte sometida a limpieza de la superficie, estando el segundo componente en un estado no sinterizado o en un estado parcialmente sinterizado. A continuación, el primer y segundo componentes se cosinterizan para formar una unión sinterizada entre el primer componente y el segundo componente. El primer componente incluye un tubo. El segundo componente incluye una brida o una tapa. El primer componente y el segundo componente incluyen carburo de silicio en una cantidad de al menos un 91 % en peso a no mayor que un 99,85 % en peso, en el que al menos un 95 % en peso del carburo de silicio es fase alfa. El material verde se puede contraer hasta cierto punto tras la sinterización, y la calidad de la unión sinterizada se puede deber al menos en parte a la selección de un tamaño del segundo componente no sinterizado verde. La calidad de la unión sinterizada también se puede atribuir a la preparación de la superficie del primer componente presinterizado para retirar los contaminantes de su superficie.A method of manufacturing a sintered ceramic article includes forming a first green component including silicon carbide, presintering the first green component to form a first sintered component, cleaning the surface of at least a portion of an outer surface of the sintered first component. to remove surface contaminants deposited during presintering thereof, and to arrange a second component including silicon carbide to circumscribe the sintered first component along the surface cleaned portion, the second component being in a unsintered state or in a partially sintered state. The first and second components are then cosinterized to form a sintered bond between the first component and the second component. The first component includes a tube. The second component includes a flange or a cap. The first component and the second component include silicon carbide in an amount of at least 91% by weight to no greater than 99.85% by weight, wherein at least 95% by weight of the silicon carbide is phase. alpha. The green material can shrink to some extent after sintering, and the quality of the sintered joint can be due at least in part to the selection of a size of the second green unsintered component. The quality of the sintered bond can also be attributed to the surface preparation of the first presintered component to remove contaminants from its surface.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La presente divulgación se puede entender mejor, y sus numerosas características y ventajas pueden resultar evidentes para los expertos en la técnica, haciendo referencia a los dibujos adjuntos.The present disclosure may be better understood, and its many features and advantages may become apparent to those skilled in the art, with reference to the accompanying drawings.

La FIG. 1 representa un modo de realización de un artículo de cerámica que incluye un tubo unido por sinterización a una brida.FIG. 1 depicts an embodiment of a ceramic article that includes a tube sintered to a flange.

La FIG. 2 representa un modo de realización de un artículo de cerámica que incluye un tubo con bridas unidas por sinterización que está sujeto en un intercambiador de calor.FIG. 2 depicts an embodiment of a ceramic article including a sintered flanged tube that is clamped in a heat exchanger.

La FIG. 3 muestra artículos de cerámica de acuerdo con un modo de realización de la presente, que pueden formar los bloques de construcción de un intercambiador de calor, y que incluye una lámina de tubos, una pluralidad de tubos y una tapa de extremo.FIG. 3 shows ceramic articles according to an embodiment hereof, which can form the building blocks of a heat exchanger, and which includes a sheet of tubes, a plurality of tubes, and an end cap.

La FIG. 4 muestra un conjunto de intercambiador de calor de acuerdo con un modo de realización en el presente documento, que incluye los bloques de construcción de cerámica mostrados en la FIG. 3.FIG. 4 shows a heat exchanger assembly in accordance with an embodiment herein, including the ceramic building blocks shown in FIG. 3.

La FIG. 5 muestra otro modo de realización de un intercambiador de calor que tiene artículos de cerámica que incluyen tubos unidos por sinterización a láminas de tubos en los extremos distales de los tubos, en el que los artículos de cerámica están alojados dentro de una carcasa.FIG. 5 shows another embodiment of a heat exchanger having ceramic articles including tubes sintered together to tube sheets at the distal ends of the tubes, wherein the ceramic articles are housed within a shell.

La FIG. 6 muestra un modo de realización de un artículo de cerámica que incluye un tubo, una brida y una tapa, en el que al menos una de la brida o la tapa está unida por sinterización al tubo.FIG. 6 shows an embodiment of a ceramic article including a tube, a flange, and a cap, wherein at least one of the flange or cap is sintered to the tube.

La FIG. 7 muestra un modo de realización de otro artículo de cerámica que incluye un tubo y dos bridas, en el que una brida está dispuesta en un extremo del tubo y la otra brida está dispuesta a lo largo de una longitud del tubo. FIG. 7 shows an embodiment of another ceramic article including a tube and two flanges, in which one flange is arranged at one end of the tube and the other flange is arranged along a length of the tube.

La FIG. 8 muestra la interfase de unión por sinterización entre un componente presinterizado y un componente unido por sinterización, cada uno formado por carburo de silicio.FIG. 8 shows the sintered bond interface between a presintered component and a sintered bond component, each formed from silicon carbide.

La FIG. 9 muestra un gráfico de una prueba de presión de un modo de realización de un artículo de cerámica a 1,38 MPa (200 psi).FIG. 9 shows a graph of a pressure test of an embodiment of a ceramic article at 1.38 MPa (200 psi).

La FIG. 10 muestra un gráfico de una prueba de presión a 20 °C de tres modos de realización de un artículo de cerámica.FIG. 10 shows a graph of a pressure test at 20 ° C of three embodiments of a ceramic article.

La FIG. 11 muestra un gráfico de una prueba de presión a 1000 °C de los tres modos de realización de la FIG. 10. La FIG. 12 muestra un gráfico de presión frente a temperatura de una prueba de presión de un modo de realización de un artículo de cerámica a través de cinco (5) ciclos térmicos.FIG. 11 shows a graph of a pressure test at 1000 ° C of the three embodiments of FIG. 10. FIG. 12 shows a graph of pressure versus temperature of a pressure test of one embodiment of a ceramic article through five (5) thermal cycles.

La FIG. 13 muestra un gráfico de una prueba de presión a 20 °C de tres modos de realización de un artículo cerámico. La FIG. 14 muestra un gráfico de una prueba de presión a 1000 °C de los tres modos de realización de la FIG. 13. La FIG. 15 muestra un gráfico de presión frente a temperatura de una prueba de larga duración de tres modos de realización de un artículo de cerámica.FIG. 13 shows a graph of a pressure test at 20 ° C of three embodiments of a ceramic article. FIG. 14 shows a graph of a pressure test at 1000 ° C of the three embodiments of FIG. 13. FIG. 15 shows a graph of pressure versus temperature from a long-term test of three embodiments of a ceramic article.

La FIG. 16 muestra una vista superior en perspectiva de un crisol de acuerdo con un modo de realización.FIG. 16 shows a top perspective view of a crucible according to one embodiment.

La FIG. 17 muestra una vista en perspectiva desde abajo del crisol de la FIG. 16.FIG. 17 shows a bottom perspective view of the crucible of FIG. 16.

El uso de los mismos símbolos de referencia en distintos dibujos quiere decir que los elementos son similares o idénticos.The use of the same reference symbols in different drawings means that the elements are similar or identical.

DESCRIPCIÓN DETALLADADETAILED DESCRIPTION

Los modos de realización de la presente invención se refieren en general a artículos de cerámica y procedimientos para formar artículos de cerámica. Un artículo de cerámica sinterizado incluye un primer componente y un segundo componente que circunscribe al menos una parte del primer componente. El primer y segundo componentes comprenden carburo de silicio, en una cantidad mayor que al menos un 91 % en peso, hasta no mayor que un 99,85 % en peso.The embodiments of the present invention relate generally to ceramic articles and processes for forming ceramic articles. A sintered ceramic article includes a first component and a second component that circumscribes at least a portion of the first component. The first and second components comprise silicon carbide, in an amount greater than at least 91% by weight, up to no greater than 99.85% by weight.

Un componente de base o un segundo componente ("componente de base" y "segundo componente" se usan de manera intercambiable en el presente documento) circunscribe al menos una parte del primer componente y está unido por sinterización al primer componente. En un modo de realización, el primer componente puede circunscribir al menos una parte del segundo componente y, en general, está unido por sinterización al segundo componente. La interfase entre el primer y el segundo componente presenta una resistencia al cizallamiento no menor que 25 MPa, no menor que 40 MPa, no menor que 50 MPa, no menor que 75 MPa, no menor que aproximadamente 100 MPa, no menor que aproximadamente 120 MPa, no menor que aproximadamente 140 MPa, no menor que aproximadamente 170 MPa, o no menor que aproximadamente 200 MPa. En un modo de realización, la interfase entre el primer y el segundo componente presenta una resistencia al cizallamiento no mayor que aproximadamente 1000 MPa, tal como no mayor que aproximadamente 700 MPa, no mayor que aproximadamente 500 MPa, o no mayor que aproximadamente 300 MPa.A base component or a second component ("base component" and "second component" are used interchangeably herein) circumscribes at least a part of the first component and is sintered bonded to the first component. In one embodiment, the first component may circumscribe at least a part of the second component and is generally sintered to the second component. The interface between the first and second components has a shear strength not less than 25 MPa, not less than 40 MPa, not less than 50 MPa, not less than 75 MPa, not less than about 100 MPa, not less than about 120 MPa, not less than about 140 MPa, not less than about 170 MPa, or not less than about 200 MPa. In one embodiment, the interface between the first and the second component exhibits a shear strength no greater than about 1000 MPa, such as no greater than approximately 700 MPa, no greater than approximately 500 MPa, or no greater than approximately 300 MPa. .

Como se usa en el presente documento, la referencia a la resistencia al cizallamiento como un valor de resistencia al cizallamiento particular se mide sometiendo a prueba una muestra que tiene dimensiones estandarizadas bajo carga. En particular, la resistencia al cizallamiento se mide preparando y sometiendo a prueba una muestra estandarizada como sigue. La muestra se prepara a partir de un tubo de cerámica y un anillo de cerámica, que tienen cada uno una longitud de 76,2 mm. El tubo de cerámica tiene un diámetro exterior (OD^t) de 14 mm y un diámetro interior (ID^t) de 11 mm. El anillo de cerámica tiene un diámetro exterior (OD^r) de 20 mm y un diámetro interior (ID^r) de 14 mm. El anillo de cerámica se coloca alrededor del tubo de cerámica de modo que los extremos de cada uno queden al ras, y a continuación se cosinteriza el conjunto tubo-anillo. Después de enfriar, se corta un segmento central de sección transversal del conjunto sinterizado y se rectifica el espesor hasta un espesor final (t) de 3 mm. El segmento central comprende un anillo interior cortado del tubo de cerámica y un anillo exterior cortado del anillo de cerámica. El área de contacto entre los anillos interior y exterior representa el área de unión total (A^b) y se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula:As used herein, reference to shear strength as a particular shear strength value is measured by testing a sample having standardized dimensions under load. In particular, shear strength is measured by preparing and testing a standardized sample as follows. The sample is prepared from a ceramic tube and a ceramic ring, each of which is 76.2 mm long. The ceramic tube has an outer diameter (OD ^t ) of 14 mm and an inner diameter (ID ^t ) of 11 mm. The ceramic ring has an outer diameter (OD ^r ) of 20 mm and an inner diameter (ID ^r ) of 14 mm. The ceramic ring is placed around the ceramic tube so that the ends of each are flush, and the tube-ring assembly is then co-sintered. After cooling, a central cross-sectional segment is cut from the sintered assembly and the thickness is ground to a final thickness (t) of 3mm. The central segment comprises an inner ring cut from the ceramic tube and an outer ring cut from the ceramic ring. The contact area between the inner and outer rings represents the total bond area (A ^b ) and is calculated according to the following formula:

(Fórmula I)

(Formula I)

La resistencia al cizallamiento de la muestra del segmento central se somete a prueba a temperatura ambiente usando un Instron 8562 que usa una celda de carga de 100 kN a una velocidad de 0,05 mm/min, que aplica una fuerza igual pero opuesta a los anillos interior y exterior, respectivamente. La magnitud de la fuerza aplicada se incrementa gradualmente hasta que los anillos se rompen. La fuerza (F) requerida para romper los anillos se mide en Newtons. El valor de la resistencia al cizallamiento (t) se obtiene de acuerdo con la siguiente fórmula:The shear strength of the core segment sample is tested at room temperature using an Instron 8562 using a 100 kN load cell at a speed of 0.05 mm / min, applying a force equal to but opposite to the inner and outer rings, respectively. The magnitude of the applied force increases gradually until the rings break. The force (F) required to break the rings is measured in Newtons. The value of the shear strength (t) is obtained according to the following formula:

(Fórmula II)

(Formula II)

Se debe entender que los artículos de cerámica como se describen en el presente documento pueden tener una amplia variedad de dimensiones y tamaños generales, pero los valores de resistencia al cizallamiento se basan en una geometría estandarizada y un enfoque de sometimiento a pruebas como se describe anteriormente. En consecuencia, validar la resistencia al cizallamiento de una muestra que tiene diferentes dimensiones más grandes o más pequeñas que la muestra estandarizada descrita anteriormente requiere la fabricación de una muestra estandarizada en condiciones de composición y procesamiento idénticas a las de la muestra que tiene diferentes dimensiones.It should be understood that ceramic articles as described herein can have a wide variety of overall dimensions and sizes, but the shear strength values are based on a standardized geometry and testing approach as described above. . Consequently, validating the shear strength of a sample having different dimensions larger or smaller than the standardized sample described above requires the fabrication of a standardized sample under compositional and processing conditions identical to those of the sample having different dimensions.

Aunque se pueden utilizar diversas técnicas de conformado para la fabricación de un tubo, o un primer o segundo componente, tales como moldeo por colada de barbotina, isoprensado, mecanización de materiales de gran tamaño y otras técnicas de conformado, se puede usar la extrusión de acuerdo con modos de realización particulares. La extrusión representa un enfoque de fabricación rentable y deseable para fabricar múltiples artículos que requieren tubos de diversas longitudes y diámetros. A este respecto, el diámetro de los tubos puede variar en un amplio intervalo, tal como 0,6 cm (1/4 de pulgada) de diámetro exterior a 30 cm (12 pulgadas) o incluso tamaños mayores. La longitud también puede variar con una longitud que varía de solo 0,3-0,6 m (1-2 pies) a 4,6 m (15 pies), 6,1 m (20 pies) e incluso longitudes que alcanzan los 9,1 m (30 pies) y más. Con respecto a la relación de la longitud (L) con respecto al diámetro exterior (^oD), denominada en el presente documento proporción de aspecto, en general el tubo tendrá una proporción de aspecto de no menos de aproximadamente 10, tal como no menos de aproximadamente 20, tal como no menos de aproximadamente 30, o no menos de aproximadamente 40. Típicamente, la proporción de aspecto es limitada, ya que los tubos de longitud extendida son difíciles de manipular y sinterizar completamente. En consecuencia, las proporciones de aspecto no suelen ser mayores de 300.Although various forming techniques can be used to manufacture a tube, or a first or second component, such as slip casting, isopressing, machining of large materials, and other forming techniques, extrusion of according to particular embodiments. Extrusion represents a desirable and cost-effective manufacturing approach to making multiple articles that require tubes of various lengths and diameters. In this regard, the diameter of the tubes can vary over a wide range, such as 0.6 cm (1/4 inch) outside diameter to 30 cm (12 inches) or even larger sizes. The length can also vary with lengths ranging from just 0.3-0.6 m (1-2 feet) to 4.6 m (15 feet), 6.1 m (20 feet) and even lengths reaching as low as 9.1 m (30 ft) and more. With respect to the ratio of length (L) to outside diameter ( ^or D), referred to herein as the aspect ratio, in general the tube will have an aspect ratio of not less than about 10, such as not less about 20, such as not less than about 30, or not less than about 40. Typically, the aspect ratio is limited, as extended length tubes are difficult to handle and completely sinter. Consequently, aspect ratios are typically not greater than 300.

Como se establece anteriormente, el primer y segundo componentes están formados por una cerámica, a saber, carburo de silicio. Se usa una forma particular de carburo de silicio de acuerdo con determinados modos de realización, conocida como carburo de silicio de la marca HEXOLOY® (fabricado por Saint-Gobain Advanced Ceramics Corporation de Worcester, Massachusetts, EE. UU.), descrito en la patente de EE. UU. n.° 4.179.299. Los carburos de silicio adecuados contienen carburo de silicio en una cantidad mayor que al menos un 91 % en peso, a no mayor que un 99,85 % en peso, hasta aproximadamente un 5,0% en peso de material orgánico carbonizado, de al menos aproximadamente un 0,15% en peso a no mayor que aproximadamente un 3,0% en peso de boro y hasta aproximadamente un 1,0 % en peso de carbono adicional. El "material orgánico carbonizado" está libre de carbono o es carbono no combinado producido in situ por la carbonización del material orgánico usado como materia prima en el proceso de formación del tubo de cerámica. Los materiales orgánicos carbonizables que se pueden usar para formar el tubo de cerámica incluyen, pero no se limitan a, resina fenólica, brea de alquitrán de hulla, polifenileno o polimetilfenileno.As stated above, the first and second components are made up of a ceramic, namely silicon carbide. A particular form of silicon carbide is used according to certain embodiments, known as HEXOLOY® brand silicon carbide (manufactured by Saint-Gobain Advanced Ceramics Corporation of Worcester, Massachusetts, USA), described in the US Patent No. 4,179,299. Suitable silicon carbides contain silicon carbide in an amount greater than at least 91% by weight, to no greater than 99.85% by weight, up to about 5.0% by weight of carbonized organic material, from at less than about 0.15% by weight to no more than about 3.0% by weight of boron and up to about 1.0% by weight of additional carbon. The "charred organic material" is carbon free or is uncombined carbon produced in situ by the charring of the organic material used as raw material in the ceramic tube formation process. Carbonizable organic materials that can be used to form the ceramic tube include, but are not limited to, phenolic resin, coal tar pitch, polyphenylene, or polymethylphenylene.

Los cuerpos cerámicos sinterizados de carburo de silicio de acuerdo con un modo de realización se pueden caracterizar por una microestructura predominantemente equiaxial, lo que significa la presencia de granos que tienen una proporción de aspecto de menos de 3:1 (es decir, la proporción de la dimensión máxima de los granos de la microestructura cristalina con respecto a la dimensión mínima de los granos de la microestructura cristalina es menor de 3:1). Además, el carburo de silicio comprende al menos un 95 % en peso, tal como al menos aproximadamente un 99 % en peso de carburo de silicio cristalino no cúbico de fase alfa.Sintered silicon carbide ceramic bodies according to one embodiment can be characterized by a predominantly equiaxial microstructure, which means the presence of grains having an aspect ratio of less than 3: 1 (i.e. the ratio of the maximum dimension of the crystalline microstructure grains with respect to the minimum dimension of the crystalline microstructure grains is less than 3: 1). In addition, the silicon carbide comprises at least 95% by weight, such as at least about 99% by weight, of alpha phase non-cubic crystalline silicon carbide.

La densidad del carburo de silicio de acuerdo con un modo de realización es al menos aproximadamente 2,40 g/cm³, tal como al menos aproximadamente 2,90 g/cm³, o al menos aproximadamente 3,05 g/cm³.The density of the silicon carbide according to one embodiment is at least about 2.40 g / cm ³ , such as at least about 2.90 g / cm ³ , or at least about 3.05 g / cm ³ .

Los cuerpos cerámicos sinterizados de carburo de silicio de acuerdo con un modo de realización se pueden caracterizar por la cantidad de contracción de los cuerpos desde un estado verde a un estado completamente sinterizado. Por ejemplo, los cuerpos cerámicos verdes de carburo de silicio de acuerdo con un modo de realización se pueden contraer más de aproximadamente un 10% respecto a su tamaño original, más de aproximadamente un 12%, más de aproximadamente un 15 %, más de aproximadamente un 17 %, menos de aproximadamente un 25 %, menos de aproximadamente el 20 %, menos de aproximadamente un 17 %, menos de aproximadamente un 15 % después de haber sido completamente sinterizados. En un modo de realización particular, un cuerpo cerámico verde de carburo de silicio se puede contraer aproximadamente un 17 % respecto a su tamaño original después de haber sido completamente sinterizado. Cuando se combina un primer componente presinterizado, un tubo, con un segundo componente verde, tal como una brida, que rodea el primer componente presinterizado, la relación de contracción y la cantidad de unión de interferencia se pueden expresar como sigue. ID^f,Fs= OD^t- A, dondeSintered silicon carbide ceramic bodies according to one embodiment can be characterized by the amount of shrinkage of the bodies from a green state to a fully sintered state. For example, green silicon carbide ceramic bodies according to one embodiment may shrink more than about 10% of their original size, more than about 12%, more than about 15%, more than about 17%, less than about 25%, less than about 20%, less than about 17%, less than about 15% after being fully sintered. In a particular embodiment, a green silicon carbide ceramic body can shrink approximately 17% of its original size after being completely sintered. When combining a first presintered component, a tube, with a second green component, such as a flange, surrounding the first presintered component, the shrinkage ratio and the amount of interference bond can be expressed as follows. ID ^{f, Fs} = OD ^t - A, where

ID^{fF s}es el diámetro interior (ID) de una brida totalmente sinterizada, OD^tes el diámetro exterior (OD) del tubo presinterizado y A es la interreferencia (infradimensionamiento de la brida). Por ejemplo, un tubo presinterizado tiene una superficie de unión o un diámetro exterior de 2,0" (es decir, OD^t= 2,0). Una unión de interferencia de un 5 % de un segundo cuerpo (es decir, A = 5 %) requiere que una brida completamente sinterizada sea 0,10" menor que el OD^t(es decir, 2,0 * 5% = 0,10), o 1,90" (es decir, ID^f,FS= OD^t- A, o 1,90" = 2,0" - 0,10"). Por tanto, para alcanzar una interferencia de un 5 % de una brida completamente sinterizada en el tubo presinterizado, la brida verde se fabricará para que tenga teóricamente un diámetro interior completamente sinterizado (si estuviera sinterizado por sí mismo) de 1,90".ID ^{fF s} is the inside diameter (ID) of a fully sintered flange, OD ^t is the outside diameter (OD) of the pre-sintered tube and A is the interference (undersizing of the flange). For example, a pre-sintered tube has a 2.0 "OD or joint surface (that is, OD ^t = 2.0). An interference joint of 5% of a second body (that is, A = 5%) requires that a fully sintered flange be 0.10 "less than the OD ^t (that is, 2.0 * 5% = 0.10), or 1.90" (that is ie ID ^{f, FS} = OD ^t - A, or 1.90 "= 2.0" - 0.10 "). Therefore, to achieve an interference of 5% from a fully sintered flange on the pre-sintered tube, the green flange will be manufactured to theoretically have a fully sintered bore (if sintered by itself) of 1.90 ".

Además, el ID del segundo componente verde se puede expresar como sigue. ID^{f Fs}/(1- R^s) = ID^f, donde ID^fes el diámetro interior del segundo componente verde, o brida, y R^ses la tasa de contracción del segundo componente (expresada como un decimal). Por tanto, de acuerdo con el ejemplo dado anteriormente, y suponiendo que la tasa de contracción del segundo componente es de un 17,0%, el diámetro interior de la brida verde (ID^f) se puede calcular como 1,9 (1-.170) = 2,289".Also, the ID of the second green component can be expressed as follows. ID ^{f Fs} / (1- R ^s ) = ID ^f , where ID ^f is the inside diameter of the second green component, or flange, and R ^s is the shrinkage rate of the second component (expressed as a decimal). Therefore, according to the example given above, and assuming that the shrinkage rate of the second component is 17.0%, the inner diameter of the green flange (ID ^f ) can be calculated as 1.9 (1- .170) = 2,289 ".

Pasando al segundo componente, el segundo componente puede estar formado por una tapa (que puede cubrir un extremo del tubo, proporcionando deseablemente un cierre hermético completo), o una brida (típicamente que circunscribe completamente el tubo). En el caso de una brida, de acuerdo con un modo de realización, la brida circunscribe el tubo alrededor de un diámetro exterior del tubo, teniendo la brida una pared que se proyecta radialmente y termina en una posición que define una dimensión exterior de la brida. En el caso de que una brida sea coaxial con el tubo, la brida puede definir un diámetro exterior mayor que el diámetro exterior nominal del tubo. Por ejemplo, el diámetro exterior de la brida puede ser no menor que aproximadamente 1,2 x (diámetro exterior del tubo), no menor que 1,3 x (diámetro exterior del tubo) o no menor que 1,4 x (diámetro exterior del tubo). La orientación de la pared que sobresale radialmente de la brida puede estar esencialmente en cualquier ángulo de proyección con respecto al eje longitudinal del tubo. Sin embargo, típicamente, la pared se proyecta perpendicularmente con respecto al eje longitudinal del tubo. Adicionalmente, la pared que se proyecta radialmente puede tener una superficie plana. Se puede usar una superficie plana para potenciar el rendimiento de sinterización del artículo de cerámica cuando está integrado en una estructura más grande, proporcionando un área de superficie adicional contra la cual crear un cierre y establecer un ambiente fuera del tubo distinto del ambiente dentro del tubo. Dicho establecimiento de un cierre de buena calidad es importante en diversos usos, tal como en el contexto de los intercambiadores de calor.Moving on to the second component, the second component may be formed by a cap (which can cover one end of the tube, desirably providing a complete seal), or a flange (typically completely circumscribing the tube). In the case of a flange, according to one embodiment, the flange circumscribes the tube around an outer diameter of the tube, the flange having a radially projecting wall and terminating in a position that defines an outer dimension of the flange. . In the case where a flange is coaxial with the tube, the flange can define an outside diameter greater than the nominal outside diameter of the tube. For example, the outer diameter of the flange may be no less than about 1.2 x (tube outer diameter), no less than 1.3 x (tube outer diameter), or no less than 1.4 x (tube outer diameter). of the tube). The orientation of the radially projecting wall of the flange may be at essentially any angle of projection with respect to the longitudinal axis of the tube. However, typically, the wall projects perpendicular to the longitudinal axis of the tube. Additionally, the radially projecting wall can have a flat surface. A flat surface can be used to enhance the sintering performance of the ceramic article when integrated into a larger structure, providing additional surface area against which to create a seal and establish an environment outside the tube other than the environment inside the tube. . Such establishment of a good quality seal is important in various uses, such as in the context of heat exchangers.

En el caso de una tapa, de acuerdo con un modo de realización, la tapa puede tener una circunferencia exterior que no sea mayor que el diámetro interior del tubo, de modo que el tapón pueda estar dispuesto dentro del orificio del tubo. La tapa puede cerrar el orificio interior del tubo en cualquier posición a lo largo de la longitud axial del tubo.In the case of a cap, according to one embodiment, the cap may have an outer circumference that is not greater than the inner diameter of the tube, so that the cap can be arranged within the hole in the tube. The cap can close the inner hole of the tube at any position along the axial length of the tube.

El rendimiento del cierre al nitrógeno se determina de acuerdo con una prueba de rendimiento del cierre al nitrógeno, en la que se aplica nitrógeno en una interfase de un cierre a una presión positiva inicial dada, y la pérdida de presión se mide con un manómetro. El rendimiento del cierre al nitrógeno es el porcentaje de caída de presión que se produce en la interfase del cierre durante un periodo de 2 horas a una presión manométrica aplicada, tal como 1,38 MPa (200 psi). Los modos de realización en el presente documento logran un rendimiento de cierre al nitrógeno no mayor que un 10 %, no mayor que un 9 %, no mayor que un 8 %, no mayor que un 7 %, no mayor que un 6 %, no mayor que un 5 %, no mayor que un 4 %, no mayor que un 3 %, no mayor que un 2 %, no mayor que un 1,9 %, no mayor que un 1,8 %, no mayor que un 1,7 %, no mayor que un 1,6 %, no mayor que un 1,5 %, no mayor que un 1,4 %, no mayor que un 1,3 %, no mayor que un 1,2 %, no mayor que un 1,1 %, no mayor que un 1,0 %, no mayor que un 0,9 %, no mayor que un 0,8 %, no mayor que un 0,7 %, no mayor que un 0,6 %, no mayor que un 0,5 %, no mayor que un 0,4 %, no mayor que un 0,3 %, no mayor que un 0,2 % o no mayor que un 0,1 % de un diferencial de presión inicial de 1,38 MPa (200 psi) (presión manométrica).The nitrogen seal performance is determined according to a nitrogen seal performance test, in which nitrogen is applied at an interface of a seal at a given initial positive pressure, and the pressure loss is measured with a manometer. Nitrogen seal performance is the percentage of pressure drop that occurs at the seal interface over a 2 hour period at an applied gauge pressure, such as 1.38 MPa (200 psi). The embodiments in the present document achieve a nitrogen closure yield not greater than 10%, not greater than 9%, not greater than 8%, not greater than 7%, not greater than 6%, not more than 5%, not more than 4%, not more than 3%, not more than 2%, not more than 1.9%, not more than 1.8%, not more than one 1.7%, not more than 1.6%, not more than 1.5%, not more than 1.4%, not more than 1.3%, not more than 1.2%, not more than 1.1%, not more than 1.0%, not more than 0.9%, not more than 0.8%, not more than 0.7%, not more than 0 , 6%, not more than 0.5%, not more than 0.4%, not more than 0.3%, not more than 0.2% or not more than 0.1% of a 1.38 MPa (200 psi) initial pressure differential (gauge pressure).

El rendimiento del cierre al helio se determina de acuerdo con una prueba de rendimiento del cierre al helio , en la que se aplica helio en una interfase de un cierre a una presión positiva inicial dada, y la pérdida de presión se mide con un manómetro. El rendimiento del cierre al helio se logra si la caída de presión que se produce en la interfase del cierre durante un periodo de 2 horas es no mayor que un 10 %, no mayor que un 9 %, no mayor que un 8 %, no mayor que un 7 %, no mayor que un 6 %, no mayor que un 5 %, no mayor que un 4 %, no mayor que un 3 %, no mayor que un 2 %, no mayor que un 1,9 %, no mayor que un 1,8 %, no mayor que un 1,7 %, no mayor que un 1,6 %, no mayor que un 1,5 %, no mayor que un 1,4 %, no mayor que un 1,3 %, no mayor que un 1,2 %, no mayor que un 1,1 %, no mayor que un 1,0 %, no mayor que un 0,9 %, no mayor que un 0,8 %, no mayor que un 0,7 %, no mayor que un 0,6 %, no mayor que un 0,5 %, no mayor que un 0,4 %, no mayor que un 0,3 %, no mayor que un 0,2 % o no mayor que un 0,1 % de un diferencial de presión de 87 PSI (presión manométrica), un diferencial de presión inicial de aproximadamente 13,8 MPa (aproximadamente 200 psi), o un diferencial de presión inicial de aproximadamente 6 barg (presión manométrica). The helium seal performance is determined according to a helium seal performance test, in which helium is applied at an interface of a seal at a given initial positive pressure, and the pressure loss is measured with a pressure gauge. Helium seal performance is achieved if the pressure drop that occurs at the seal interface over a 2 hour period is no greater than 10%, no greater than 9%, no greater than 8%, no greater than 7%, not greater than 6%, not greater than 5%, not greater than 4%, not greater than 3%, not greater than 2%, not greater than 1.9%, not more than 1.8%, not more than 1.7%, not more than 1.6%, not more than 1.5%, not more than 1.4%, not more than 1 , 3%, not more than 1.2%, not more than 1.1%, not more than 1.0%, not more than 0.9%, not more than 0.8%, no greater than 0.7%, not greater than 0.6%, not greater than 0.5%, not greater than 0.4%, not greater than 0.3%, not greater than 0, 2% or no greater than 0.1% of a pressure differential of 87 PSI (gauge pressure), an initial pressure differential of approximately 13.8 MPa (approximately 200 psi), or an initial pressure differential of approximately 6 barg (gage pressure AC).

El rendimiento del cierre al vacío se determina de acuerdo con una prueba de rendimiento del cierre al vacío. En la prueba de rendimiento del cierre al vacío, se aplica vacío al sello. La atmósfera de gas nitrógeno dentro del tubo se reduce a continuación de 101,3 kPa (1 atmósfera o 760torr) a una presión de 1,3 kPa (10torr), de este modo se obtiene una presión diferencial de 100 kPa (750torr). El rendimiento del cierre al vacío se logra si la ganancia dentro del tubo que se produce en la interfase del cierre durante un periodo de 2 horas es no mayor que un 10 %, no mayor que un 9 %, no mayor que un 8 %, no mayor que un 7 %, no mayor que un 6 %, no mayor que un 5 %, no mayor que un 4 %, no mayor que un 3 %, no mayor que un 2 %, no mayor que un 1,9 %, no mayor que un 1,8 %, no mayor que un 1,7 %, no mayor que un 1,6 %, no mayor que un 1,5 %, no mayor que un 1,4 %, no mayor que un 1,3 %, no mayor que un 1,2 %, no mayor que un 1,1 %, no mayor que un 1,0 %, no mayor que un 0,9 %, no mayor que un 0,8 %, no mayor que un 0,7 %, no mayor que un 0,6 %, no mayor que un 0,5 %, no mayor que un 0,4 %, no mayor que un 0,3 %, no mayor que un 0,2 % o no mayor que un 0,1 % del diferencial de presión (l00 kPa o 750torr).The vacuum seal performance is determined according to a vacuum seal performance test. In the vacuum seal performance test, vacuum is applied to the seal. The nitrogen gas atmosphere inside the tube is then reduced from 101.3 kPa (1 atmosphere or 760 torr) to a pressure of 1.3 kPa (10 torr), thereby obtaining a differential pressure of 100 kPa (750 torr). Vacuum seal performance is achieved if the gain within the tube that occurs at the seal interface over a 2 hour period is no greater than 10%, no greater than 9%, no greater than 8%, not more than 7%, not more than 6%, not more than 5%, not more than 4%, not more than 3%, not more than 2%, not more than 1.9% , not greater than 1.8%, not greater than 1.7%, not greater than 1.6%, not greater than 1.5%, not greater than 1.4%, not greater than one 1.3%, not more than 1.2%, not more than 1.1%, not more than 1.0%, not more than 0.9%, not more than 0.8%, no bigger than a 0.7%, not more than 0.6%, not more than 0.5%, not more than 0.4%, not more than 0.3%, not more than 0.2% or not greater than 0.1% of the pressure differential (100 kPa or 750 torr).

En cada una de las pruebas de rendimiento del cierre, la unión o interfase se somete al diferencial de presión descrito anteriormente. Dependiendo de la geometría de la pieza, se presuriza o se evacua un volumen interior y se tapan los agujeros. En el caso de un sello exterior, tal como en el caso de una brida en un tubo, se sitúa una tapa de extremo para cubrir la brida y el orificio expuesto del tubo, estando la tapa desplazada del orificio para permitir una comunicación fluida (y por tanto, presión/vacío) que se extiende radialmente hasta la región de unión. Las tapas/tapones pueden tener diferentes geometrías para encajar en la pieza que se somete a prueba y se pueden cerrar con una grasa al vacío para garantizar un cierre hermético a presión. Una geometría de este tipo de una tapa/tapón se muestra en las FIGS. 16 y 17 donde la tapa/tapón encaja dentro del tubo o cilindro para cerrar un extremo del tubo o cilindro. El artículo de las FIGS.In each of the seal performance tests, the joint or interface is subjected to the pressure differential described above. Depending on the geometry of the part, an interior volume is pressurized or evacuated and the holes are plugged. In the case of an outer seal, such as in the case of a flange on a tube, an end cap is positioned to cover the flange and the exposed hole of the tube, the cover being offset from the hole to allow fluid communication (and hence pressure / vacuum) extending radially to the junction region. The caps / plugs can have different geometries to fit the part under test and can be sealed with a vacuum grease to ensure a pressure tight seal. Such a geometry of a cap / plug is shown in FIGS. 16 and 17 where the cap / plug fits inside the tube or barrel to close one end of the tube or barrel. The article of FIGS.

16 y 17 se pueden denominar crisol. En un modo de realización tal como el ilustrado en las FIGS. 16 y 17, se debe entender que la tapa/tapón es el primer componente y el tubo o cilindro es el segundo componente. Por tanto, se debe entender que, de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente, el cilindro del crisol se sinteriza para que se contraiga alrededor de la tapa/tapón presinterizada para proporcionar una unión de interferencia al mismo.16 and 17 can be called a crucible. In an embodiment such as that illustrated in FIGS. 16 and 17, it should be understood that the cap / plug is the first component and the tube or cylinder is the second component. Thus, it should be understood that, in accordance with the procedures discussed above, the crucible barrel is sintered to contract around the presintered cap / plug to provide an interference bond thereto.

Si bien se ha descrito anteriormente una referencia a un segundo componente, se debe reconocer que se pueden integrar un tercero o varios componentes de base a lo largo de la longitud del tubo. Por ejemplo, los componentes de base, tales como un segundo componente y un tercer componente, pueden tener la forma de bridas situadas en extremos axiales opuestos de un primer componente, tal como un tubo, circunscribiendo cada brida el tubo alrededor de un diámetro exterior del tubo, y teniendo cada brida una pared respectiva que se proyecta radialmente que termina en una posición que define una dimensión exterior de la brida que se puede utilizar de forma ventajosa para permitir un cierre hermético o estanco a los fluidos con un ambiente exterior.While a reference to a second component has been described above, it should be recognized that a third or more base components may be integrated along the length of the tube. For example, the base components, such as a second component and a third component, may be in the form of flanges located at opposite axial ends of a first component, such as a tube, each flange circumscribing the tube around an outside diameter of the tube. tube, and each flange having a respective radially projecting wall terminating in a position defining an outer dimension of the flange that can be advantageously used to allow a fluid tight seal with an outside environment.

Los artículos de cerámica sinterizados como se describen en el presente documento se pueden formar a través de un enfoque de sinterización de múltiples etapas. Por ejemplo, un tubo de cerámica verde se forma a través de cualquiera de las tecnologías de conformación adecuadas, tales como moldeo, moldeo por colada de barbotina, isoprensado, mecanizado y en particular extrusión. Como se entiende en general en la técnica, el tubo de cerámica verde en general contiene agua o una fase líquida orgánica combinada con diversos coadyuvantes tecnológicos y aglutinantes. Para obtener información adicional sobre los detalles de la composición, se puede hacer referencia a la patente de EE. UU. n.° 4.179.299.Sintered ceramic articles as described herein can be formed through a multi-stage sintering approach. For example, a green ceramic tube is formed through any of the suitable forming technologies, such as casting, slip casting, iso-pressing, machining, and in particular extrusion. As is generally understood in the art, green ceramic tube generally contains water or an organic liquid phase combined with various processing aids and binders. For additional information on compositional details, reference can be made to US Patent No. 4,179,299.

Una vez completada la formación de un primer componente de cerámica verde, el primer componente pasa a una etapa de presinterización para formar un primer componente sinterizado. La presinterización se puede llevar a cabo en cualquiera de los hornos conocidos, incluyendo hornos continuos que trasladan la pieza de trabajo (en este caso, el tubo) a través del horno a una velocidad constante o variable. La presinterización se lleva a cabo generalmente a una temperatura superior a 2000 °C, tal como superior a 2050 °C, pero generalmente inferior a 2400 °C, tal como inferior a 2300 °C, tal como inferior a 2250 °C. Un intervalo objetivo adecuado para sinterizar el primer componente cerámico verde en el caso del carburo de silicio puede estar dentro de un intervalo de 2100-2200 °C. Los tiempos de sinterización pueden variar y dependen en gran medida de la masa térmica del primer componente. Sin embargo, los tiempos de sinterización típicamente varían de 15 minutos a 10 horas, tal como no menos de aproximadamente 30 minutos, tal como no menos de aproximadamente 1 hora, tal como no menos de aproximadamente 1,5 horas. Si bien los componentes de base o los tubos grandes de alta masa pueden requerir tiempos de sinterización prolongados, típicamente los tiempos de sinterización no superan las 30 horas, tal como no más de 20 horas, tal como no mayor de 10 horas. Una vez completada la etapa de sinterización, al menos una parte de una superficie exterior o interior del primer componente sinterizado se somete a limpieza de la superficie. En un modo de realización, al menos la parte del primer componente presinterizado que se pondrá en contacto con el segundo componente al que se sinterizará el primer componente se someterá a limpieza de la superficie. A este respecto, se ha descubierto que la superficie exterior del primer componente presinterizado puede llevar contaminantes, tales como contaminantes que se depositan durante el proceso de sinterización, o que se forman como consecuencia del proceso de sinterización y cambios en la estructura cristalográfica y de la composición del primer componente. Por ejemplo, los aglutinantes dentro de la composición se pueden quemar, dejando un residuo carbonoso en la superficie exterior del primer componente. Ese residuo carbonoso, en general en forma de carbono libre, puede afectar negativamente a la calidad de la unión entre el primer y el segundo componente, inhibiendo un cierre hermético.Upon completion of the formation of a first green ceramic component, the first component proceeds to a presintering step to form a sintered first component. Presintering can be carried out in any of the known furnaces, including continuous furnaces that move the workpiece (in this case, the tube) through the furnace at a constant or variable speed. Presintering is generally carried out at a temperature above 2000 ° C, such as above 2050 ° C, but generally below 2400 ° C, such as below 2300 ° C, such as below 2250 ° C. A suitable target range for sintering the first green ceramic component in the case of silicon carbide may be within a range of 2100-2200 ° C. Sintering times can vary and are highly dependent on the thermal mass of the first component. However, sintering times typically range from 15 minutes to 10 hours, such as not less than about 30 minutes, such as not less than about 1 hour, such as not less than about 1.5 hours. While base components or large, high-mass tubes may require long sintering times, typically sintering times do not exceed 30 hours, such as no more than 20 hours, such as no longer than 10 hours. After the sintering step is completed, at least a part of an outer or inner surface of the first sintered component is subjected to surface cleaning. In one embodiment, at least the part of the first presintered component that will come into contact with the second component to which the first component will be sintered will undergo surface cleaning. In this regard, it has been discovered that the outer surface of the first presintered component may carry contaminants, such as contaminants that are deposited during the sintering process, or that are formed as a consequence of the sintering process and changes in the crystallographic structure and the composition of the first component. For example, binders within the composition can burn, leaving a carbonaceous residue on the outer surface of the first component. This carbonaceous residue, generally in the form of free carbon, can negatively affect the quality of the bond between the first and second component, inhibiting a hermetic seal.

Posteriormente a la limpieza de la superficie, en un modo de realización, se sitúa un segundo componente, o de base, para circunscribir un primero parcial o totalmente sinterizado a lo largo de la parte sometida a limpieza de la superficie. Aquí, el segundo componente se encuentra en un estado no sinterizado o parcialmente sinterizado. En el caso de un estado parcialmente sinterizado, típicamente el segundo componente no se ha sinterizado para que se contrajera a sus dimensiones finales. Después de la colocación del segundo componente, el primer componente se sinteriza nuevamente, pero con el segundo componente situado en contacto con el tubo de cerámica. Esto se puede denominar cosinterización. Durante el proceso de cosinterización, el segundo componente se contrae a sus dimensiones finales y puede ejercer una carga de compresión sobre el primer componente y estar en contacto con la superficie exterior del primer componente. Sin embargo, la carga de compresión no solo provoca un encaje por interferencia mecánico, sino también una unión cristalográfica o química. Aquí, la superficie interior del segundo componente y la superficie exterior del primer componente en contacto con el mismo a temperatura de sinterización elevada provoca la creación de una unión sinterizada, a lo largo de la cual los materiales de cada uno de los componentes forman fuertes uniones cristalográficas o químicas entre los mismos. La limpieza de la superficie como se describe anteriormente ayuda a promover la formación de una fuerte unión sinterizada, formando de este modo un cierre hermético que tiene un alto nivel de robustez mecánica.Subsequent to cleaning the surface, in one embodiment, a second component, or base, is placed to circumscribe a first partially or totally sintered along the part of the surface subjected to cleaning. Here, the second component is in an unsintered or partially sintered state. In the case of a partially sintered state, typically the second component has not been sintered to shrink to its final dimensions. After the placement of the second component, the first component is sintered again, but with the second component positioned in contact with the ceramic tube. This can be called co-sintering. During the co-sintering process, the second component shrinks to its final dimensions and can exert a compressive load on the first component and be in contact with the outer surface of the first component. However, compression loading causes not only mechanical interference fit, but also crystallographic or chemical bonding. Here, the inner surface of the second component and the outer surface of the first component in contact with it at high sintering temperature causes the creation of a sintered bond, along which the materials of each of the components form strong crystallographic or chemical bonds between them. Cleaning the surface as described above helps promote the formation of a strong sintered bond, thereby forming a seal that has a high level of mechanical strength.

El flujo del proceso para formar artículos de cerámica de acuerdo con modos de realización de la presente también puede incluir una operación de mecanización, durante la cual la superficie exterior de un primer componente (un tubo) o un segundo componente (una tapa o brida) se mecaniza antes de la presinterización. En un modo de realización, la operación de mecanización puede incluir mecanizar circunferencialmente o mecanizar longitudinalmente una superficie exterior del componente antes de la presinterización. Dicho de forma alternativa, esta etapa de mecanización se puede llevar a cabo en estado verde, donde el primer o segundo componente está en un estado que permite una retirada más fácil de material que en el estado sinterizado. Además, la mecanización puede ser eficaz para reducir o incluso retirar completamente las irregularidades en las dimensiones (ovalización) o la superficie del primer o segundo componente verde. Por ejemplo, en el caso de la extrusión, el primer o segundo componente verde puede tener líneas ranuradas características que se extienden parcial o totalmente a lo largo de toda la longitud del primer o segundo componente. Esas líneas ranuradas pueden inhibir la formación de una unión sinterizada fuerte de la interfase, así como un cierre hermético. En el caso de otras tecnologías de formación, la mecanización todavía puede ser deseable. Por ejemplo, en el caso de isoprensado o moldeo, pueden quedar imperfecciones características en el primer o segundo componente verde, tal como un tapajuntas.The process flow for forming ceramic articles in accordance with embodiments herein may also include a machining operation, during which the outer surface of a first component (a tube) or a second component (a cap or flange) It is machined before pre-sintering. In one embodiment, the machining operation may include circumferential machining or longitudinal machining of an outer surface of the component prior to presintering. Stated alternatively, this machining step can be carried out in the green state, where the first or second component is in a state that allows easier removal of material than in the sintered state. Furthermore, machining can be effective in reducing or even completely removing irregularities in the dimensions (ovalization) or the surface of the first or second green component. For example, in the case of extrusion, the first or second green component may have characteristic score lines that extend partially or fully along the entire length of the first or second component. Those grooved lines can inhibit the formation of a strong sintered interface bond, as well as a tight seal. In the case of other training technologies, mechanization may still be desirable. For example, in the case of isopressing or molding, characteristic imperfections may remain in the first or second green component, such as a flashing.

Tanto la limpieza de la superficie como las etapas de mecanización se pueden llevar a cabo a través de procesos de abrasión mecánica. La abrasión mecánica puede incluir mecanización usando un abrasivo libre (por ejemplo, una suspensión abrasiva), un abrasivo revestido o un abrasivo fijo. La especie de producto abrasivo se elige para evitar una interacción química no deseada con el tubo o el componente de base o los depósitos extraños en los mismos, proporcionando también al mismo tiempo tasas adecuadas de retirada de material. En términos generales, en el caso del carburo de silicio, se evitan materiales abrasivos tales como alúmina y se utilizan materiales tales como carburo de silicio y superabrasivos, incluyendo especialmente nitruro de boro cúbico (CBN) y diamante. En el estado verde, la mecanización se puede llevar a cabo con carburo de silicio y en el estado sinterizado, la limpieza de la superficie se puede hacer con carburo de silicio o una especie superabrasiva. En la práctica, los modos de realización han hecho uso de abrasivos revestidos, tales como un carburo de silicio, CBN o abrasivo de diamante revestido en una cinta de bucle cerrado, montados en una lijadora de cinta.Both surface cleaning and machining steps can be carried out through mechanical abrasion processes. Mechanical abrasion can include machining using a free abrasive (eg, an abrasive slurry), a coated abrasive, or a fixed abrasive. The abrasive product species is chosen to avoid unwanted chemical interaction with the tube or base component or foreign deposits therein, while also providing adequate material removal rates. Generally speaking, in the case of silicon carbide, abrasive materials such as alumina are avoided and materials such as silicon carbide and superabrasives are used, including especially cubic boron nitride (CBN) and diamond. In the green state, machining can be carried out with silicon carbide and in the sintered state, surface cleaning can be done with silicon carbide or a superabrasive species. In practice, embodiments have made use of coated abrasives, such as a silicon carbide, CBN or diamond abrasive coated on a closed loop belt, mounted on a belt sander.

Si bien las etapas de limpieza anteriores se establecen en relación con un componente, en particular la superficie exterior de un primer o segundo componente, las operaciones de limpieza anteriores se pueden llevar a cabo con respecto a una superficie interior de un componente, en particular la superficie interior del primer componente en una parte que se pondrá en contacto con el segundo componente que se unirá por sinterización al mismo, o la superficie interior del segundo componente en una parte que se pondrá en contacto con el primer componente que se unirá por sinterización al mismo.While the above cleaning steps are set in relation to a component, in particular the outer surface of a first or second component, the above cleaning operations can be carried out with respect to an inner surface of a component, in particular the inner surface of the first component in a part that will contact the second component to be sintered to it, or the inner surface of the second component in a part that will contact the first component to be sintered to the same.

Se describen modos de realización particulares en relación con los dibujos.Particular embodiments are described in connection with the drawings.

Pasando a la FIG. 1, se muestra un artículo de cerámica 100 que incluye un tubo 110 y un componente de base en forma de brida 120. Como se muestra, la brida 120 tiene una pared que se proyecta radialmente 130, que presenta una superficie plana 140. Como se describe en el presente documento, el tubo está presinterizado y la brida 120 está unida por sinterización al tubo.Turning to FIG. 1, a ceramic article 100 is shown that includes a tube 110 and a flange-shaped base component 120. As shown, flange 120 has a radially projecting wall 130, which exhibits a flat surface 140. As shown described herein, the tube is pre-sintered and the flange 120 is sintered bonded to the tube.

La FIG. 2 muestra otro modo de realización de un artículo de cerámica 200, integrado en un tipo de intercambiador de calor. Como se muestra, el artículo de cerámica 200 incluye un tubo 210 y componentes de base en forma de una primera brida 220 y una segunda brida 230. Aunque no se muestran en sección transversal, las bridas 220 y 230 en general circunscriben, típicamente circunscriben completamente, el tubo alrededor del diámetro exterior del tubo. La altura de cada brida define el espesor de la pared proyectada radialmente que se extiende radialmente hacia afuera desde el tubo. Cada primera brida 220 incluye una superficie plana 240 y la segunda brida 230 incluye una superficie plana 260. Un primer extremo alrededor del cual está dispuesta la primera brida 220 está conectado a una estructura de conducto corriente arriba 270. Esa estructura de conducto corriente arriba 270 se mantiene en acoplamiento hermético a los fluidos con el artículo de cerámica 200 por medio de un medio de derivación, mostrado aquí como una pinza 280. Interpuesta entre la estructura de conducto 270 y la primera brida 220 hay una junta 290. Como se muestra mediante la flecha 235 en el dibujo, se alimenta fluido al tubo 210 del artículo de cerámica 200 a través del primer extremo del artículo de cerámica 200. De forma similar, se proporciona una estructura de conducto corriente abajo 205, con una pinza 215 para mantener la estructura del conducto y el artículo de cerámica en comunicación estanca a los fluidos, así como una segunda junta 225. En uso, la distancia entre las bridas 220 y 230 representa típicamente un área de reacción caliente, y la corriente de fluido corriente arriba del área de reacción caliente representa una zona de alimentación, y la corriente de fluido corriente abajo del área de reacción caliente representa una zona de enfriamiento.FIG. 2 shows another embodiment of a ceramic article 200, integrated in one type of heat exchanger. As shown, the ceramic article 200 includes a tube 210 and base components in the form of a first flange 220 and a second flange 230. Although not shown in cross section, flanges 220 and 230 generally circumscribe, typically completely circumscribe , the tube around the outside diameter of the tube. The height of each flange defines the thickness of the radially projected wall extending radially outward from the tube. Each first flange 220 includes a flat surface 240 and the second flange 230 includes a flat surface 260. A first end around which the first flange 220 is disposed is connected to an upstream conduit structure 270. That upstream conduit structure 270 is maintained in fluid-tight engagement with the ceramic article 200 by means of a bypass means, shown here as a clamp 280. Interposed between the conduit structure 270 and the first flange 220 is a gasket 290. As shown by arrow 235 in the drawing, fluid is fed to tube 210 of ceramic article 200 through the first end of ceramic article 200. Similarly, a downstream conduit structure 205 is provided, with a clamp 215 to maintain the conduit structure and ceramic article in fluid-tight communication, as well as a second gasket 225. In use, the distance between flanges 220 and 230 typically represents a hot reaction area, and the fluid stream upstream of the hot reaction area represents a feed zone, and the fluid stream downstream of the hot reaction area represents a cooling zone.

Pasando a las FIGS. 3 y 4, se muestra un subconjunto de otro tipo de intercambiador de calor. La FIG. 3 ilustra un primer y segundo tubos 310 interconectados por una tapa 320, que mantiene la comunicación fluida entre el primer y el segundo tubos 310. Como se describe anteriormente, la tapa está unida por sinterización a los tubos. Adicionalmente, se muestra una lámina de tubos 330, en forma de un disco que tiene múltiples agujeros 340, que recibe múltiples pares de tubos y que funciona para mantener la relación espacial entre los tubos y proporcionar un cierre hermético en el extremo de los tubos opuesto a las tapas. De forma similar, la lámina de tubos 330 es un tipo de componente de base y puede estar unida por sinterización a los tubos.Turning to FIGS. 3 and 4, a subassembly of another type of heat exchanger is shown. FIG. 3 illustrates first and second tubes 310 interconnected by a cap 320, which maintains fluid communication between the first and second tubes 310. As described above, the cap is sintered bonded to the tubes. Further, Shown is a sheet of tubes 330, in the form of a disk having multiple holes 340, receiving multiple pairs of tubes and operating to maintain the spatial relationship between the tubes and provide a seal at the end of the tubes opposite the tubes. tapas. Similarly, tube sheet 330 is a type of base component and can be sintered bonded to tubes.

La FIG. 4 muestra un subconjunto de intercambiador de calor completado 400. Múltiples pares, en este caso seis pares de tubos 410 que tienen tapas 420, están integrados con la lámina de tubos 430. El subconjunto del intercambiador de calor se puede acondicionar además en una carcasa (no mostrada) para uso industrial.FIG. 4 shows a completed heat exchanger subassembly 400. Multiple pairs, in this case six pairs of tubes 410 having caps 420, are integrated with the tube sheet 430. The heat exchanger subassembly can be further packaged in a shell ( not shown) for industrial use.

La FIG. 5 ilustra aún otra disposición del intercambiador de calor. Aquí, los artículos de cerámica 510 compuestos por tubos 520 y láminas de tubos 530, 540 se acondicionan dentro de una carcasa 550. Como se muestra mediante las flechas que entran en las entradas de los tubos 560, se puede alimentar un fluido, tal como gases o líquidos corrosivos, al interior de los tubos 520 y puede salir a través de las salidas de los tubos 570. El intercambiador de calor también incluye su propia entrada de la carcasa 580 y salida de la carcasa 590, que está aislada del flujo de gases corrosivos de los tubos. De esta manera, el calor se puede intercambiar entre el ambiente dentro del cuerpo del intercambiador de calor y el ambiente de los gases o líquidos que fluyen a través de los tubos 520. En este modo de realización particular mostrado en la FIG. 5, los tubos no utilizan bridas, sino láminas de tubos opuestas 530 y 540. Sin embargo, modos de realización alternativos pueden hacer uso de tapas, como las que se muestran en las FIGS. 3 y 4 en lugar de la lámina de tubos 540 para un flujo tortuoso de gases o fluidos, en lugar del flujo lineal mostrado en la FIG. 5.FIG. 5 illustrates yet another arrangement of the heat exchanger. Here, ceramic articles 510 comprised of tubes 520 and tube sheets 530, 540 are packaged within a shell 550. As shown by arrows entering the tube inlets 560, a fluid, such as Corrosive gases or liquids, into tubes 520 and may exit through the outlets of tubes 570. The heat exchanger also includes its own shell inlet 580 and shell outlet 590, which is isolated from the flow of corrosive gases from the tubes. In this way, heat can be exchanged between the environment within the body of the heat exchanger and the environment of the gases or liquids flowing through the tubes 520. In this particular embodiment shown in FIG. 5, the tubes do not use flanges, but opposing tube sheets 530 and 540. However, alternative embodiments may make use of caps, such as those shown in FIGS. 3 and 4 in place of tube sheet 540 for a tortuous flow of gases or fluids, instead of the linear flow shown in FIG. 5.

La FIG. 6 muestra un artículo de cerámica 600 que incluye un tubo 610 que tiene un segundo componente (brida 620) y un tercer componente (tapa 630). Como se describe anteriormente, cada una de la brida 620 y la tapa 630 están unidas por sinterización al tubo 610. El tubo 610 se presinteriza antes de la unión por sinterización de la tapa y la brida al tubo (por ejemplo, cosinterización del tubo, la brida y la tapa).FIG. 6 shows a ceramic article 600 that includes a tube 610 having a second component (flange 620) and a third component (cap 630). As described above, each of the flange 620 and cap 630 are sintered bonded to tube 610. Tube 610 is pre-sintered prior to sinter bonding of the cap and flange to the tube (e.g., tube co-sintering, flange and cover).

La FIG. 7 muestra aún otro modo de realización de un artículo de cerámica que incluye un tubo 700, que incluye bridas opuestas 702 y 704. Cada una de las bridas en este modo de realización particular se unió por sinterización al tubo 700, que se presinterizó.FIG. 7 shows yet another embodiment of a ceramic article including tube 700, including opposing flanges 702 and 704. Each of the flanges in this particular embodiment was sintered bonded to tube 700, which was pre-sintered.

La FIG. 8 es una sección transversal de SEM que muestra la unión de la interfase entre un tubo de carburo de silicio presinterizado 800 y un componente de base 802. Entre los componentes 800 y 802 se ha proporcionado la interfase 804, que proporciona un cierre hermético entre los componentes 800 y 802. Si bien la interfase se puede ver fácilmente en la figura, cabe destacar que partes de la interfase están oscurecidas por una representación en blanco o sin color. Estas áreas indican áreas donde se produjo crecimiento de grano por la interfase, que funciona para fortalecer y potenciar el cierre hermético por la interfase. Dicho de forma alternativa, los granos formados por cristales (por ejemplo, granos cristalográficos) de cada uno de los dos componentes se unieron y crecieron conjuntamente para extenderse por la interfase y puentearla creando una fuerte unión química o cristalográfica en la interfase. En consecuencia, la unión es más compleja que una estructura de unión directa de encaje por fricción típica e incluye componentes tanto mecánicos como cristalográficos para mejorar la robustez de la interfase.FIG. 8 is an SEM cross section showing the interface junction between a presintered silicon carbide tube 800 and a base component 802. Between components 800 and 802 interface 804 has been provided, which provides a tight seal between the components. components 800 and 802. Although the interface can be easily seen in the figure, it should be noted that parts of the interface are obscured by a white or no color representation. These areas indicate areas where grain growth occurred through the interface, which functions to strengthen and enhance the seal through the interface. Stated alternatively, the crystal grains (eg, crystallographic grains) of each of the two components coalesced and grew together to span the interface and bridge it creating a strong chemical or crystallographic bond at the interface. Consequently, the joint is more complex than a typical friction fit direct joint structure and includes both mechanical and crystallographic components to enhance the robustness of the interface.

Ejemplo 1Example 1

Se formaron varios artículos de cerámica para incluir una unión de interferencia entre un tubo de cerámica y una brida de cerámica como sigue. Se preparó un tubo de cerámica de 14 mm de diámetro exterior de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente. Se tapó un extremo del tubo, y el tubo y la tapa se presinterizaron de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente para proporcionar un tubo presinterizado con un extremo cerrado y un extremo abierto. Se prepararon varias bridas de cerámica verde de acuerdo con los procedimientos anteriores para encajarlas sobre el extremo abierto del tubo presinterizado. Las bridas de cerámica verde se diseñaron para proporcionar un ID completamente sinterizado que fuera menor que el OD del tubo de 14 mm (por ejemplo, interferencia) en aproximadamente un 0% a aproximadamente un 15%. Las bridas de cerámica verde se proporcionaron en el extremo abierto del tubo presinterizado y se cosinterizaron con el tubo presinterizado para proporcionar una unión de interferencia de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente.Various ceramic articles were formed to include an interference joint between a ceramic tube and a ceramic flange as follows. A 14mm OD ceramic tube was prepared according to the procedures discussed above. One end of the tube was capped, and the tube and cap were presintered according to the procedures discussed above to provide a presintered tube with a closed end and an open end. Several green ceramic flanges were prepared according to the above procedures to fit over the open end of the pre-sintered tube. The green ceramic flanges were designed to provide a fully sintered ID that was less than the OD of the 14mm tube (eg interference) by about 0% to about 15%. The green ceramic flanges were provided at the open end of the presintered tube and were co-sintered with the presintered tube to provide an interference joint according to the procedures discussed above.

Después de que se formaron los artículos de cerámica, se sometieron a pruebas de presión proporcionando 1,38 MPa (200 psi) (aproximadamente 13,8 bar) de helio (He) en un lado de la unión de interferencia para determinar la integridad de la unión de interferencia de cada artículo de cerámica. La FIG. 9 muestra que la mayoría de las muestras de artículos de cerámica que tienen una brida diseñada para tener de aproximadamente un 0 % a aproximadamente un 5 % de ID completamente sinterizado no consiguieron mantener la presión. La FIG. 9 también muestra que una mayoría de las muestras de artículos de cerámica que tienen una brida diseñada para tener de aproximadamente un 5 % a aproximadamente un 15% de ID completamente sinterizado consiguieron mantener la presión. En particular, la FIG. 9 tiende a mostrar que un valor umbral de aproximadamente un 5 % tiene éxito en mantener la presión.After the ceramic articles were formed, they were pressure tested providing 1.38 MPa (200 psi) (approximately 13.8 bar) of helium (He) on one side of the interference junction to determine the integrity of the the interference bond of each ceramic item. FIG. 9 shows that most ceramic article samples having a flange designed to have about 0% to about 5% ID fully sintered failed to hold pressure. FIG. 9 also shows that a majority of the ceramic article samples having a flange designed to have about 5% to about 15% ID fully sintered were able to hold pressure. In particular, FIG. 9 tends to show that a threshold value of about 5% is successful in maintaining pressure.

Ejemplo 2Example 2

Se preparó y presinterizó un artículo de cerámica que tenía un tubo de 100 mm de OD de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente, y se equipó con una brida verde diseñada para tener un ID completamente sinterizado de un 3 % menos que el tubo presinterizado. El tubo y la brida se cosinterizaron para formar un artículo de cerámica que tenía una unión de interferencia de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente, y se sometieron a pruebas de presión a 20 °C con 6 barg (presión manométrica) de helio en un lado de la unión de interferencia para determinar la integridad de la unión de interferencia del artículo de cerámica. El artículo de cerámica perdió aproximadamente 0,2 bar durante un periodo de 12 horas.A ceramic article having a 100mm OD tube was prepared and pre-sintered according to the procedures discussed above, and fitted with a green flange designed to have a fully ID. sintered 3 % less than pre-sintered tube. The tube and flange were co-sintered to form a ceramic article having an interference bond according to the procedures discussed above, and pressure tested at 20 ° C with 6 barg (gauge pressure) of helium on one side. of the interference bond to determine the integrity of the interference bond of the ceramic article. The ceramic article lost approximately 0.2 bar over a 12 hour period.

Ejemplo 3Example 3

Se prepararon y presinterizaron tres artículos de cerámica que tenían un tubo de 35 mm de OD de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente, y cada uno se equipó con una pestaña verde y posteriormente se cosinterizó para formar un artículo de cerámica que tenía una unión de interferencia de acuerdo con los procedimientos analizados anteriormente. Un primer artículo de cerámica incluyó una brida diseñada para tener un ID completamente sinterizado de un 3 % menor que el tubo presinterizado, un segundo artículo de cerámica incluyó una brida diseñada para tener un ID completamente sinterizado de un 5 % menor que el tubo presinterizado, y un tercer artículo de cerámica incluyó una brida diseñada para tener un ID completamente sinterizado de un 11 % menor que el tubo presinterizado. Los tres artículos de cerámica se sometieron a cinco (5) ciclos térmicos de 20 °C a 1000 °C y se presurizaron con 6 barg de helio en un lado de la unión de interferencia para determinar la integridad de la unión de interferencia de cada artículo de cerámica. Se tomaron lecturas de presión a 20 °C y 1000 °C para cada artículo de cerámica en cada iteración del ciclo térmico. Los resultados de las lecturas a 20 °C se muestran en la FIG. 10, y los resultados para 1000 °C se muestran en la FIG. 11, donde la muestra "A" es la muestra de un 3% y se representa como un triángulo, la muestra "B" es la muestra de un 5 % y se representa como un rombo, y la muestra "C" es la muestra de un 11 % y se representa como un cuadrado.Three ceramic articles having a 35mm OD tube were prepared and pre-sintered according to the procedures discussed above, and each was fitted with a green flange and subsequently co-sintered to form a ceramic article having an interference bond. according to the procedures discussed above. A first ceramic item included a flange designed to have a fully sintered ID 3% lower than the presintered tube, a second ceramic item included a flange designed to have a fully sintered ID 5% less than the presintered tube, and a third ceramic article included a flange designed to have a fully sintered ID 11% lower than the pre-sintered tube. The three ceramic articles were subjected to five (5) thermal cycles from 20 ° C to 1000 ° C and pressurized with 6 barg of helium on one side of the interference bond to determine the integrity of the interference bond of each article. ceramic. Pressure readings were taken at 20 ° C and 1000 ° C for each ceramic article at each iteration of the thermal cycle. The results of the readings at 20 ° C are shown in FIG. 10, and the results for 1000 ° C are shown in FIG. 11, where sample "A" is the 3% sample and is represented as a triangle, sample "B" is the 5% sample and is represented as a rhombus, and sample "C" is the sample. 11% and is represented as a square.

Como se muestra en la FIG. 10, las muestras A y B perdieron menos de 0,1 (-0,1) bar/H a 20 °C. La pérdida promedio de presión de la muestra A a 20 °C es menor que aproximadamente 0,03 bar/H, y la pérdida promedio de presión de la muestra B a 20 °C es menor que aproximadamente 0,01 bar/H. La FIG. 10 también muestra que la muestra C perdió cada vez más presión en cada lectura del ciclo térmico realizada a 20 °C. No está claro por qué las lecturas de la muestra C muestran una pérdida continua de presión, ya que esto es contrario a las expectativas de esa muestra. Pasando a la FIG. 11, la muestra A (la muestra de un 3 %) muestra en realidad un incremento en la presión en cada lectura del ciclo térmico realizada a 1000 °C. No está claro por qué la presión se incrementó en la muestra A a 1000 °C. La ganancia promedio de presión de la muestra A tomada a 1000 °C es de aproximadamente 0,06 bar/H. En la FIG. 11, la muestra B (la muestra de un 5 %) muestra una pérdida de presión menor que 0,2 (-0,2) bar/H. La pérdida promedio de presión de la muestra B tomada a 1000 °C es menor que aproximadamente 0,03 bar/H. La FIG. 11 también muestra que la muestra C (la muestra de un 11 %) tiene un incremento continuo en la pérdida de presión en cada ciclo térmico, lo cual es consecuente con los datos de la FIG. 10. Los resultados de las lecturas de presión del ciclo térmico de las FIGS. 10 y 11 tienden a mostrar que la muestra B (la muestra de un 5 %) proporciona una unión de interferencia más estanca que la muestra A o C.As shown in FIG. 10, samples A and B lost less than 0.1 (-0.1) bar / H at 20 ° C. The average pressure loss of sample A at 20 ° C is less than about 0.03 bar / H, and the average pressure loss of sample B at 20 ° C is less than about 0.01 bar / H. FIG. 10 also shows that sample C lost more and more pressure with each thermal cycle reading made at 20 ° C. It is not clear why the C sample readings show a continuous pressure loss, as this is contrary to expectations for that sample. Turning to FIG. 11, Sample A (the 3% sample) actually shows an increase in pressure with each thermal cycle reading taken at 1000 ° C. It is not clear why the pressure increased in sample A at 1000 ° C. The average pressure gain of sample A taken at 1000 ° C is approximately 0.06 bar / H. In FIG. 11, sample B (the 5% sample) shows a pressure loss less than 0.2 (-0.2) bar / H. The average pressure loss of sample B taken at 1000 ° C is less than about 0.03 bar / H. FIG. 11 also shows that sample C (the 11% sample) has a continuous increase in pressure loss with each thermal cycle, which is consistent with the data in FIG. 10. The results of the thermal cycle pressure readings of FIGS. 10 and 11 tend to show that Sample B (the 5% sample) provides a tighter interference bond than Sample A or C.

Ejemplo 4Example 4

Se preparó un artículo de cerámica de acuerdo con la muestra B (la muestra de un 5 %) en el ejemplo 3 anterior, y se sometió a prueba la pérdida de presión a temperaturas intermedias presurizando un lado de la unión de interferencia del artículo de cerámica con 2 barg de helio mientras se calentaba el artículo de cerámica hasta 1000 °C. Como muestra la FIG. 12, se tomaron mediciones frecuentes a varias temperaturas entre el ciclo térmico de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 900 °C. Como también indica la FIG. 12, la presión en el tubo (medida en barg) se mantuvo entre aproximadamente 2 barg y 2,5 barg durante el ciclo térmico. Los resultados de este ejemplo indican poca o ninguna pérdida o degradación de la estanqueidad en la unión de interferencia a lo largo de un ciclo térmico, lo que también sugiere que el componente secundario (tapa, brida) se une bien al tubo porque ambos componentes tienen coeficientes de expansión térmica (CTE) idénticos o casi idénticos. También se observa que, aunque no se muestra en las FIGS., se ha sabido que varias muestras funcionan a más de aproximadamente 1000 °C, más de aproximadamente 1300 °C e incluso más de 2000 °C sin un incremento apreciable en la pérdida de presión. cuando se someten a prueba posteriormente a temperaturas iguales o inferiores a 1000 °C.A ceramic article was prepared according to sample B (the 5% sample) in Example 3 above, and pressure loss was tested at intermediate temperatures by pressurizing one side of the interference junction of the ceramic article. with 2 barg of helium while heating the ceramic article to 1000 ° C. As FIG. 12, frequent measurements were taken at various temperatures between thermal cycling from about 100 ° C to about 900 ° C. As FIG. 12, the pressure in the tube (measured in barg) was maintained between approximately 2 barg and 2.5 barg during the thermal cycle. The results of this example indicate little or no leakage or degradation of tightness at the interference junction over a thermal cycle, also suggesting that the secondary component (cap, flange) bonds well to the tube because both components have identical or nearly identical coefficients of thermal expansion (CTE). It is also noted that, although not shown in FIGS., Various samples have been known to operate at greater than about 1000 ° C, greater than about 1300 ° C, and even greater than 2000 ° C without an appreciable increase in loss of Pressure. when subsequently tested at temperatures equal to or below 1000 ° C.

Ejemplo 5Example 5

Se prepararon tres artículos de cerámica (muestras A, B y C) de acuerdo con el ejemplo 3 anterior, y se sometieron a cinco (5) iteraciones de prueba de ciclos térmicos entre 20 °C y 100 °C mientras se les proporcionaba 6 barg de helio en un lado de la unión de interferencia de cada muestra. Los resultados se muestran en las FIGS. 13 y 14. Como se muestra en la FIG. 13, la muestra A (muestra de un 3%) tuvo una pérdida promedio de presión a 20 °C de aproximadamente 0,05 bar/H, la muestra B (muestra de un 5 %) tuvo una pérdida promedio de presión a 20 °C de aproximadamente 0,03 bar/h, y la muestra C (muestra de un 11%) tuvo una pérdida promedio de presión de aproximadamente 0,13 bar/H. La FIG. 14 muestra que la muestra B tiende a proporcionar un incremento de presión a 1000 °C. No está claro por qué la muestra B incrementa la presión en el tubo a 1000 °C. Sin embargo, las FIGS. 13 y 14 parecen indicar que la muestra B proporciona la unión de interferencia más estanca y, por tanto, proporciona una mayor fidelidad en la retención de la presión en los ciclos térmicos que las otras muestras. Three ceramic articles (samples A, B and C) were prepared according to Example 3 above, and subjected to five (5) thermal cycling test iterations between 20 ° C and 100 ° C while being given 6 barg of helium on one side of the interference junction of each sample. The results are shown in FIGS. 13 and 14. As shown in FIG. 13, sample A (3% sample) had an average pressure loss at 20 ° C of approximately 0.05 bar / H, sample B (5% sample) had an average pressure loss at 20 ° C of about 0.03 bar / h, and sample C (11% sample) had an average pressure loss of about 0.13 bar / h. FIG. 14 shows that sample B tends to provide a pressure increase at 1000 ° C. It is not clear why sample B increases the pressure in the tube at 1000 ° C. However, FIGS. 13 and 14 seem to indicate that sample B provides the tightest interference junction and thus provides greater fidelity in pressure retention over thermal cycling than the other samples.

Ejemplo 6Example 6

Se prepararon tres artículos de cerámica (muestras A, B y C) de acuerdo con el ejemplo 3 anterior y se sometieron a una prueba de presión de larga duración (aproximadamente 72-80 horas) a 1000 °C con 6 barg de helio en un lado de la unión de interferencia de cada muestra. Los resultados de la prueba de presión de larga duración se muestran en la FIG. 15. Como se muestra en la FIG. 15, la muestra B (muestra de un 5 %) perdió toda la presión al final de la prueba de larga duración, aproximadamente a las 72 horas. Los resultados son anómalos y se cree que no se logró completamente un cierre hermético con la muestra B. Three ceramic articles (samples A, B and C) were prepared according to Example 3 above and subjected to a long-term pressure test (approximately 72-80 hours) at 1000 ° C with 6 barg of helium in a side of the interference junction of each sample. The results of the long-term pressure test are shown in FIG. 15. As shown in FIG. 15, sample B (5% sample) lost all pressure at the end of the long-term test, approximately 72 hours. The results are anomalous and it is believed that a complete seal was not achieved with sample B.

Claims

1. A sintered ceramic article, comprising:

a first component including silicon carbide, wherein the first component comprises a tube; a second component including silicon carbide, the second component circumscribing at least a part of the first component, wherein the second component comprises a flange or a cap; and an interface between the first component and the second component, the interface being a sintered joint having a shear strength of not less than 25 MPa and at least one performance characteristic selected from the group consisting of:

i) a nitrogen seal yield not greater than 10%;

ii) an efficiency of the closure to helium not greater than 10%;

iii) a performance of the vacuum seal not greater than 10%,

wherein the shear strength, nitrogen seal performance, helium seal performance, and vacuum seal performance are determined as described in the description; wherein the first component and the second component comprise silicon carbide in an amount of at least 91% by weight to no greater than 99.85% by weight, wherein at least 95% by weight of the carbide silicon is alpha phase.

The sintered ceramic article of claim 1, wherein the interface is a sintered joint formed by co-sintering the first component and the second component, wherein, for co-sintering, the first component is pre-sintered and at least the part of the first component. circumscribed by the second component is subjected to surface cleaning to remove contaminants deposited during presintering, and the second component is in an unsintered or partially sintered state.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the shear strength is not less than 40 MPa, such as not less than 50 MPa, not less than 75 MPa.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the crystallographic grains of the first component and the second component extend across and bridge the interface.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the interface is a seal.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the interface has a nitrogen sealing performance, a helium sealing performance, or a vacuum sealing performance of not more than 9%, 8%. , 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1.9%, 1.8%, 1.7%, 1.6%, 1.5%, 1.4%, 1 , 3%, 1.2%, 1.1%, 1.0%, 0.9%, 0.8%, 0.7%, 0.6%, 0.5%, 0.4%, 0 , 3%, 0.2% or 0.1%.

7. The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the interface has a helium seal efficiency of no greater than 4%.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, further comprising a third component, wherein the first component comprises a tube, the second component and the third component being located at opposite axial ends of the tube, wherein the second and third components are flanges circumscribing the tube around an outside diameter of the tube, each flange having a radially projecting wall terminating in a position defining an outside dimension of the flange.

The sintered ceramic article of claim 8, wherein each flange is adapted to receive a pinching force to push each end of the sintered ceramic article into fluid tight engagement with a conduit structure.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the interface between the first component and the second component is free of bonding materials.

The sintered ceramic article of claim 1 or 2, wherein the first component comprises an extruded tube.

12. A method of forming a sintered ceramic article, comprising:

forming a first green component that includes silicon carbide;

pre-sintering the first green component to form a sintered first component; cleaning the surface of at least a portion of an outer surface of the sintered first component to remove contaminants from the surface deposited during its pre-sintering;

arranging a second component including silicon carbide to circumscribe the sintered first component along the surface cleaned portion, the second component being in an unsintered or partially sintered state; and sintering the first component together with the second component to form a sintered bond between the first component and the second component,

wherein the first component comprises a tube, and the second component comprises a flange or cap, and wherein the first component and the second component comprise silicon carbide in an amount of at least 91% by weight to no greater than 99.85% by weight, wherein at least 95% by weight of the silicon carbide is alpha phase.

13. The method of claim 12, wherein sintering the first component together with the second component to form a sintered bond causes grain crystallographic is formed from each of the first and second components, the crystallographic grains extending a sintered bonding interface between the first and the second component and bridging it.

14. The method of claim 12 or 13, in which the sintered bond has a tensile shear the not less than 25 MPa and at least one characteristic of the selected performance the group consisting of:

i) a nitrogen seal yield not greater than 10%;

ii) an efficiency of the closure to helium not greater than 10%; Y

iii) a performance of the vacuum seal not greater than 10%,

wherein the shear strength, nitrogen seal performance, helium seal performance, and vacuum seal performance are determined as described in the description.